JP2016010168A - 共振器及び無線給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】磁界共鳴方式を利用して電力を伝送する際に外部への電界の漏洩を効果的に抑制し得る共振器及び無線給電システムを提供する。
【解決手段】本発明の共振器３０は、磁界共鳴方式に基づいて電力を伝送する無線給電システムに用いられ、所定の共振周波数を有する共振コイル（巻線コイル）４１と、共振コイル４１を支持する支持部材４０と、支持部材４０の内部又は外周のうち、共振コイル４１の表面近傍領域とは異なる位置に配置された電界抑制部４２を備えている。この電界抑制部４２は、支持部材４０の材料の誘電率よりも高い第１の誘電率を有する誘電体材料からなり、共振器３０の外部への電界漏洩を抑制する作用がある。
【選択図】図３

Description

本発明は、共振器間の磁場の共鳴を利用して送電装置から受電装置に非接触で電力を伝送する無線給電システムに関する。

従来から、送電装置から受電装置に対して非接触で電力を伝送する無線給電システムが要望されている。無線給電システムを実現するための手法としては、電磁誘導を利用した技術や電磁波を利用した技術などが提案されている。近年、無線給電システムに適用可能な技術として、共振器間の磁場の共鳴を利用して送電装置から受電装置に電力を伝送する磁界共鳴方式が注目されている。例えば、特許文献１には、所定距離だけ離して対向配置した２つの共振器の磁場の共鳴により、一方の共振器から他方の共振器に電力を伝送する磁界共鳴方式の基礎的概念が開示されている。また例えば、非特許文献１には、磁界共鳴方式に用いるアンテナとしての共振コイルにおいて高いＱ値を実現するための手法が示されている。また例えば、非特許文献２には、磁界共鳴方式において得られる最大の伝送効率に関して理論的な検討がなされており、各々の共振器のＱ値を高めることにより伝送効率の向上が可能であることが示されている。また例えば、特許文献２には、無線給電システムの適用対象として電気自動車やプラグインハイブリッド車を想定し、磁界共鳴方式を利用して、車両下部に配設した共振コイルから、車両内に設けた共振コイルに電力を伝送する技術が開示されている。

特表２００９−５０１５１０号公報 特開２００９−１０６１３６号公報

藤枝智之、鈴木雅美、「磁界共鳴方式電力伝送用低損失アンテナの検討」、ＰＩＯＮＥＥＲ Ｒ＆Ｄ、Ｖｏｌ．２１、Ｎｏ．１／２０１２、ｐ．１１−１５ 松木英敏、他、「非接触電力伝送技術の最前線」、シーエムシー出版、ｐ．７（２００９年８月）

無線給電システムを実現する上で、共振器が発生する電磁波が周囲の電子機器に電磁妨害（EMI: Electro Magnetic Interference）を与えたり、人体に悪影響を与えるなどの課題がある。無線給電システムにおいて１対の共振器間で電力を伝送する場合、主に特定の放射方向の磁界エネルギーが伝送に寄与するが、アンテナとして機能する共振器は磁界のみならず電界でも共振するので、ＥＭＩや人体防護の観点から、漏洩する電界への配慮が求められる。例えば、共振器の筐体となる支持部材の各面に金属シールドを形成することにより、外部に放射される電界を遮蔽する手法も考えられる。しかし、金属シールドは、伝送周波数の波長に応じた密閉性が要求されるとともに、金属加工物に高度な加工・成型技術が要求され、また密閉性を高めるほど金属シールド用の金属材料の容量が増え、それにより共振器の重量が増加するという問題がある。

本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、電力伝送に寄与しない電界の漏洩を簡単な構造で抑制可能な共振器及び無線給電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の共振器は、主に磁場の共鳴を利用して送電側共振器から受電側共振器に電力を伝送する無線給電システムにおける共振器であって、所定の共振周波数の交流電力と電磁界エネルギーとを相互に変換する共振コイルと、前記共振コイルを支持する支持部材と、前記支持部材の内部又は外周のうち、前記共振コイルの表面近傍領域とは異なる位置に配置され、前記支持部材の材料の誘電率よりも高い第１の誘電率を有する誘電体材料からなる電界抑制部とを備えて構成される。

本発明の共振器によれば、磁場の共鳴を利用する非接触の電力伝送方式（磁界共鳴方式）の無線給電システムにおいて、送電側及び受電側の各共振器を構成する共振コイルは、支持部材により支持されるとともに、この支持部材の材料の誘電率よりも高い第１の誘電率を有する誘電体材料からなる電界抑制部が支持部材の内部又は外周のうち、共振コイルの表面近傍領域とは異なる位置に配置されている。よって、共振器の動作時に、共振コイルの線間に発生した電界は、高誘電率の電界抑制部によって囲まれる構造となるので、外部への漏洩電界を抑制することができる。これにより、金属シールド等を用いる場合の共振器の重量増加を招くことなく、簡単な構造で無線給電システムのＥＭＩ及び人体防護の対策を施すことが可能となる。

本発明の共振器において、前記共振コイルの表面近傍領域に配置され、前記支持部材の材料の誘電率よりも高く前記第１の誘電率よりも低い第２の誘電率を有する誘電体セラミック材料からなる電界集中部を更に設けることができる。このような電界集中部により、共振コイルの線間に発生した前述の電界が低損失の誘電体セラミック材料に集中するため、共振コイルのＱ値を高めることができる。これにより、前述の外部への漏洩電界を抑制する効果に加えて、Ｑ値の高い共振コイルを用いて無線給電システムの伝送効率の向上が可能となる。なお、「共振コイルの表面近傍領域」としては、共振コイルの表面に接する領域か、あるいは、共振コイルの表面からの距離が共振コイルを構成する線状導体の線間ピッチより十分に小さくなるような領域であることが望ましい。

前述の電界集中部は、前記共振コイルの表面近傍領域の全部に配置してもよいが、前記共振コイルの表面近傍領域の一部に配置してもよい。電界集中部を一部に配置しても共振器の所望のＱ値が得られる場合、電界集中部を構成する誘電体セラミック材料を減らすことで共振器の重量増加を抑えることができる。

電界抑制部を構成する誘電体材料は、誘電正接ｔａｎδが１０^−２以上とすることが望ましい。誘電体材料の誘電正接ｔａｎδが１０^−２に満たないと、電界抑制部の損失に基づく電界の減衰量が不十分になるためである。また、電界集中部を構成する誘電体セラミック材料は、比誘電率εｒを８以上とし、誘電正接ｔａｎδを１０^−２以下とすることが望ましい。誘電体セラミック材料の比誘電率εｒが８に満たないと、共振コイルの線間の電界を集中させてＱ値を高める効果が不十分になるし、誘電体セラミック材料の誘電正接ｔａｎδが１０^−２を超えると、誘電体損の増加によりＱ値が低下するからである。

また、上記課題を解決するために、本発明の無線給電システムは、主に磁場の共鳴を利用して送電装置から受電装置に電力を伝送する無線給電システムであって、前記送電装置は、所定の周波数の交流電力を供給する電源と、前記電源から供給された前記交流電力に共振し、前記交流電力を電磁界エネルギーとして送電する送電側共振器とを備え、前記受電装置は、前記送電側共振コイルと前記磁場の共鳴により結合し、前記電磁界エネルギーを交流電力として受電する受電側共振器と、前記受電側共振器により受電された前記交流電力により動作する回路部とを備え、前記送電側共振器及び前記受電側共振器の各々は、所定の共振周波数の交流電力と電磁界エネルギーとを相互に変換する共振コイルと、前記共振コイルを支持する支持部材と、前記支持部材の内部又は外周のうち、前記共振コイルの表面近傍領域とは異なる位置に配置され、前記支持部材の材料の誘電率よりも高い第１の誘電率を有する誘電体材料からなる電界抑制部とを備えて構成される。

本発明の無線給電システムによれば、上述の特徴を有する共振器を、送電装置の送電側共振器と、受電装置の受電側共振器のそれぞれに適用することができる。よって、送電装置においては、電源から供給される交流電力に共振する送電側共振器が電磁界エネルギーを伝送し、受電装置においては、受電側共振器が電磁界エネルギーを受け取って後段の回路部に交流電力を出力する。例えば、本発明の無線給電システムは、電気自動車やプラグインハイブリッド車などの車両への電源供給などの多様な用途に利用することができる。なお、本発明の無線給電システムにおける共振器の構造は上述した通りであり、電界抑制部により外部への漏洩電界を抑制する効果を得られる点も同様である。

本発明によれば、共振コイルと支持部材を備える共振器において、共振コイルの線間に発生した電界の周囲に高誘電率の誘電体材料からなる電界抑制部を設けたので、外部への漏洩電界を効果的に抑制でき、簡単な構造でＥＭＩ及び人体防護への対策を施すことが可能な無線給電システムを実現することができる。

本発明を適用した無線給電システムの一構成例を示すブロック図である。 送電装置における送電側共振器及びそれに関連する回路部分と、受電装置における受電側共振器及びそれに関連する回路部分との等価回路の一例を示す図である。 第１の構造例に係る共振器の断面構造図である。 第１の構造例に係る共振器を部分的に透視した上面図である。 第２の構造例に係る共振器の断面構造図である。 第２の構造例に係る共振器を部分的に透視した上面図である。 第３の構造例に係る共振器の断面構造図である。 第３の構造例に係る共振器を部分的に透視した上面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明の技術思想を適用した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。

図１は、本発明を適用した無線給電システムの一構成例を示すブロック図である。図１に示す無線給電システムは、送電装置１から受電装置２に非接触（無線）で電力を伝送するシステムである。例えば、車両に内蔵された受電装置２に対し、地面や路面に配設された送電装置１から非接触で給電を行う無線給電システムを挙げることができる。

図１に示すように、送電装置１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０と、高周波電源１１と、整合回路１２と、送電側共振器１３と、無線通信部１４と、制御部１５とを含んで構成される。また、受電装置２は、受電側共振器２０と、整合回路２１と、整流器２２と、バッテリ２３と、負荷回路２４と、無線通信部２５と、制御部２６とを含んで構成される。

送電装置１において、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０は、商用電源等の交流電力を直流電力に変換する。高周波電源１１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０から供給される直流電力を用いて所定の周波数の高周波電力を発生する発振器である。整合回路１２は、高周波電力を供給する高周波電源１１の出力側と後段の送電側共振器１３とのインピーダンス整合を行う。送電側共振器１３は、整合回路１２を介して供給される高周波電力を受け、その所定の周波数で共振して電磁界エネルギーを生成する共振器である。送電側共振器１３の具体的な構造と作用については後述する。

受電装置２において、受電側共振器２０は、送電装置１の送電側共振器１３と磁気的に結合し、磁界共鳴に基づき上述の所定の周波数で共振して高周波電力を発生する共振器である。本実施形態において、受電側共振器２０は、基本的に送電装置１の送電側共振器１３と同一の構造としてよい。整合回路２１は、受電側共振器２０と後段の整流器２２とのインピーダンス整合を行う。整流器２２は、整合回路２１を経由して供給される高周波電力を整流して直流電力に変換する。蓄電器として機能するバッテリ２３は、整流器２２を介して供給される電力を蓄える二次電池である。負荷回路２４は、バッテリ２３から供給される放電電流に応じて動作する回路であって、受電装置２の取り付け対象に含まれる多様な構成要素が想定される。

一方、送電装置１の制御部１５は、送電装置１の全体の動作を制御する。同様に、受電装置２の制御部２６は、受電装置２の全体の動作を制御する。各々の制御部１５、２６は、例えば、無線給電システムにより定められた処理を実行するプロセッサと、データおよびプログラムを記憶するメモリを含む。また、送電装置１の無線通信部１４と受電装置２の無線通信部２５は、上述の送電側共振器１３及び受電側共振器２０の間の電力の伝送とは別に、それぞれの制御部１５、２６で必要な情報を無線により相互に伝送する手段であり、例えば、送受信回路とアンテナを含んで構成される。

次に、図１の無線給電システムのうち、送電側共振器１３及び受電側共振器２０の構造及び動作について説明する。本実施形態において、送電側共振器１３及び受電側共振器２０は、いずれも所定の共振周波数の交流電力と電磁界エネルギーを相互に変換する共振コイルを含み、送電側共振器１３及び受電側共振器２０を比較的近い距離で対向させて配置して両者を磁気的に結合させた状態で用いられる。このような状態で、送電側共振器１３から主に磁界エネルギーが受電側共振器２０に伝送され、いわゆる磁界共鳴方式に基づく非接触の電力伝送が可能となる。

図２は、送電装置１における送電側共振器１３及びそれに関連する回路部分と、受電装置２における受電側共振器２０及びそれに関連する回路部分との等価回路の一例を示している。送電装置１においては、発振器１１ａとインピーダンスＺｏの直列回路の部分は図１の高周波電源１１に相当し、インダクタンスＬ１、容量Ｃ１、抵抗Ｒ１の直列回路の部分は図１の送電側共振器１３に相当し、両者が接続されている。また、受電装置２においては、インダクタンスＬ２、容量Ｃ２、抵抗Ｒ２の直列回路の部分は図１の受電側共振器２０に相当し、その回路部分と負荷（図１のバッテリ２３又は負荷回路２４）が接続されている。このように、送電側共振器１３と受電側共振器２０は同一の等価回路で表されるので、磁界の結合によって同一の共振周波数で共振（共鳴）する。

送電側共振器１３及び受電側共振器２０において、インダクタンスＬ１、Ｌ２は共振コイルの部分のサイズや巻数に依存して定まり、容量Ｃ１、Ｃ２は共振コイルの配線間の寄生容量（浮遊容量）に依存して定まる。図２の等価回路において、１対の送電側共振器１３及び受電側共振器２０の回路部分は、１対のコイルが電磁誘導を生じる回路形式と同様に表現される。ただし、電磁誘導の場合は、Ｑ値が考慮されないために１対のコイルの距離が離れると電力の伝送が困難となるのに対し、本実施形態では、後述の構造及び材料によって共振コイルのＱ値を高くできるので、送電側共振器１３と受電側共振器２０がある程度距離が離れたとしても、磁界結合によって効率的に電力を伝送することができる。

ここで、送電側共振器１３から受電側共振器２０への伝送効率ηは、次の（１）式のｆｏｍ（性能指数）に関係する。
ｆｏｍ＝ｋ（Ｑ１・Ｑ２）^１／２ （１）
ただし、ｋ：結合係数
Ｑ１：送電側共振器１３の共振コイルのＱ値
Ｑ２：受電側共振器２０の共振コイルのＱ値

（１）式において、結合係数ｋは、送電側共振器１３と受電側共振器２０の各共振コイル同士の間隔（エアギャップ）に依存し、間隔が大きくなるほど低下する。すなわち、各共振コイルの配置の制約に応じた所与の結合係数ｋに対し、上述のＱ１、Ｑ２が高くなるほど、伝送効率ηを向上させることができる。一般に、角周波数ωにおける共振コイルのＱ値は、（２）式により与えられる。
Ｑ＝ωＬ／ｒ （２）
ただし、Ｌ：インダクタンス
ｒ：抵抗

（２）式において、抵抗ｒは、誘電体損、導体損、放射損などの損失の和で表される。本実施形態では、送電側共振器１３及び受電側共振器２０の構造に基づき共振コイルの損失を低減することにより、共振コイルのＱ値の向上を図るものであるが、詳しくは後述する。

次に、図１の送電側共振器１３及び受電側共振器２０の構造について説明する。上述したように、送電側共振器１３及び受電側共振器２０の基本構造は同じであるため、以下では、送電側共振器１３及び受電側共振器２０の両方に適合する共振器（３０〜３２）を想定して説明を行うものとする。まず、第１の構造例に係る共振器３０について図３及び図４を参照して説明する。第１の構造例に関し、図３は共振器３０の断面構造図を示し、図４は共振器３０の上面図を示す。第１の構造例の共振器３０は、円板状の支持部材４０と、スパイラル型の巻線コイル４１（本発明の共振コイル）と、支持部材４０内に配置された電界抑制部４２とを備えて構成される。共振器３０は、図３に示す伝送方向Ｒに対向して配置された別の共振器３０との間で磁界を主とする電磁界エネルギーを伝送する。なお、図４の上面図は、図３の共振器３０のうち、支持部材４０の上面部４０ａ及び充填部４０ｄと電界抑制部４２の上部４２ａ及び底部４２ｂとを透視した状態で示している。

第１の構造例において、支持部材４０は、共振器３０の全体を支持する筐体としての役割があり、例えば、一般的な樹脂材料により形成され、所定の厚みを有する円板状の部材である。図３及び図４においては、支持部材４０を、上面部４０ａ、底面部４０ｂ、側面部４０ｃ、充填部４０ｄに区分して示している。支持部材４０の形状及び構造は、図４の例には限られないが、巻線コイル４１の一定の形状を確保でき、かつ十分な機械的強度を得られる構造を有することが望ましい。支持部材４０の内部には、巻線コイル４１及び電界抑制部４２が固定された状態で配置されている。巻線コイル４１と電界抑制部４２とは接していない（離間している）。なお、支持部材４０の充填部４０ｄは、巻線コイル４１を固定可能である限り、内部空間が存在する構造であってもよい。

巻線コイル４１は、支持部材４０の厚さ方向の略中央の位置に配置され、スパイラル状に巻いた状態の線状導体（例えば、銅線）である。図４に示すように、巻線コイル４１は所定の線径及び所定の線間ピッチで形成される。ただし、巻線コイル４１のサイズ、巻き数、線状導体の線径及び線間ピッチは、共振器３０のサイズ、共振周波数、Ｑ値などの設計条件に応じて適切に決定することができる。なお、図３の例では、巻線コイル４１を構成する線状導体が円形断面で表されるが、方形断面であってもよい。

巻線コイル４１の両端は開放（オープン）されていてもよいし、あるいは回路素子に接続されていてもよい。巻線コイル４１の両端が開放されている状態で共振器３０に給電するには、例えば、近傍に配置したループ素子を介して共振器３０に給電すればよい。また、共振器３０に対し、巻線コイル４１の一端にキャパシタを直列に接続してもよいし、巻線コイル４１の両端にキャパシタを並列に接続してもよい。このようなキャパシタの容量値を適切に設定することにより、共振器３０の共振周波数やＱ値を調整することができる。

電界抑制部４２は、高誘電率のセラミック材料により形成された部材であり、支持部材４０の上面部４０ａ、底面部４０ｂ、側面部４０ｃの全体と充填部４０ｄとの間に配置されている。電界抑制部４２は、支持部材４０の誘電率よりも高い誘電率（本発明の第１の誘電率）を有するセラミック材料により形成され、例えば、比誘電率εが１００を超える程度のセラミック材料を用いることが望ましい。なお、支持部材４０の一般的な樹脂材料としては、例えば、比誘電率εｒが２程度となるので、それに比べて電界抑制部４２の誘電率は十分に高い値に設定される。電界抑制部４２のセラミック材料としては、例えば、チタン酸バリウム（εｒ＞１０００、ｔａｎδ＞１０^−２）を用いることができる。図３に示すように、電界抑制部４２は、上部４２ａ、底部４２ｂ、側部４２ｃにより構成される。

電界抑制部４２の役割は、共振器３０の各方向に漏洩する電界を抑制することにある。電界抑制部４２の上部４２ａ、底部４２ｂ、側部４２ｃは、それぞれ支持部材４０の上面部４０ａ、底面部４０ｂ、側面部４０ｃの内側に配置されるので、巻線コイル４１から放射される電界の全方位を取り囲む構造となっている。電界抑制部４２は極めて誘電率が高いことから、巻線コイル４１から各方向に放射される電界は電界抑制部４２の内部で収束して外部に透過する電界が減衰するので、電界抑制部４２を透過して外部に漏洩する電界を抑制することができる。なお、電界抑制部４２の上部４２ａは、巻線コイル４１から伝送方向Ｒに放射される磁界には影響を与えない。

上述したように、電界抑制部４２は、共振器３０の磁界エネルギーの伝送には寄与しないことから、損失が大きいセラミック材料を用いても支障はない。この場合、ある程度損失が大きいセラミック材料を用いて電界抑制部４２を構成すれば、電界抑制部４２を通過する電界エネルギーが熱となって消費され、電界抑制部４２を透過する電界の減衰量を高めることができる。このような観点から、前述のチタン酸バリウムのように、誘電正接ｔａｎδが１０^−２以上のセラミック材料を用いて電界抑制部４２を構成することが望ましい。また、電界抑制部４２が厚いほど電界漏洩の抑制効果を高めることができるが、共振器３０のサイズや重量の制約を考慮して、電界抑制部４２の厚さを設定する必要がある。例えば、電界抑制部４２の厚さは、０．５ｍｍ以上に設定することが望ましい。

以上のように、第１の構造例を採用することにより、磁界共鳴方式により送電側共振器１３から受電側共振器２０に電磁界エネルギーを伝送する際、その周囲への漏洩電界の十分な抑制が可能となる。従って、本実施形態の無線給電システムにおける有効なＥＭＩ対策の手段を提供でき、人体への安全性や周囲の機器へ影響軽減などの効果を高めることができる。また、共振器３０に金属シールドを施す場合は、密閉性の実現のための構造の複雑化や、共振器３０の重量増加が問題となるのに対し、セラミック材料を用いた電界抑制部４２の場合は、共振器３０の構造の複雑化や重量増加を回避する点でも有利である。

次に、第２の構造例に係る共振器３１について図５及び図６を参照して説明する。第２の構造例に関し、図５は共振器３１の断面構造図を示し、図６は共振器３１の上面図を示している。図５及び図６は、第１の構造例の図３及び図４にそれぞれ対応する。第２の構造例の共振器３１のうち、支持部材４０と、巻線コイル４１と、電界抑制部４２とについては、第１の構造例の共振器３０と共通であるので、それらの説明は省略する。一方、第２の構造例の共振器３１のうち、第１の構造例の共振器３０と異なる点は、巻線コイル４１の両面に配置された誘電体セラミック材料からなる電界集中部４３を備える点である。

図５に示すように、電界集中部４３は、巻線コイル４１の表面近傍領域の全部に配置されている。すなわち、巻線コイル４１の両側の表面を全体的に挟むように電界集中部４３が配置されている。よって、電界集中部４３の平面視の形状は、図６に示すように、全体が円形であって、中央が円形に開口されている。電界集中部４３に用いる誘電体セラミック材料は、少なくとも、支持部材４０の材料の誘電率よりも高く、かつ、電界抑制部４２の誘電率よりも低い誘電率（本発明の第２の誘電率）を有している。具体的には、比誘電率εｒが８以上で、かつ、誘電正接ｔａｎδが１０^−２以下の誘電体セラミック材料を用いて電界集中部４３を形成することが望ましい。

電界集中部４３の役割は、支持部材４０との誘電率の相違により、巻線コイル４１の巻線間に発生する電界を電界集中部４３に集中させて巻線コイル４１のＱ値を高めることにある。前述したように、共振器３０間の伝送は磁界が主であるため、巻線コイル４１の線間の電界は伝送には寄与しないが、実際には巻線コイル４１の線間の電界が支持部材４０の樹脂材料を通過する際の損失（主に誘電体損）を小さくする必要がある。そのため、巻線コイル４１の表面近傍領域に、支持部材４０よりも誘電率が高い誘電体材料を配置することにより、巻線コイル４１の近傍に電界を集中させ（電気力線の密度を高め）、これにより電界が支持部材４０を通過する際の損失の低減を図るものである。なお、巻線コイル４１と電界集中部４３の間に樹脂材料等が存在すると、そこを電界が通過して損失が発生するので、巻線コイル４１と電界集中部４３はできるだけ密着させた状態で配置することが望ましい。

以上のように、第２の構造例を採用することにより、巻線コイル４１の表面近傍領域に配置した電界集中部４３に線間の電界を集中させて巻線コイル４１のＱ値を高めることができるので、本実施形態の無線給電システムにおいて良好な伝送効率を実現することができる。また、第２の構造例では、第１の構造例と同様の電界抑制部４２に加えて、上述の電界集中部４３を更に設けたので、電界集中部４３により低減された電界を更に電界抑制部４２により抑制できるので、外部への電界漏洩の抑制効果を一層高めることができる。電界集中部４３と電界抑制部４２とは異なる位置に配置されている。なお、電界集中部４３は、巻線コイル４１のＱ値に関連するので、電界抑制部４２とは異なり、損失が小さいセラミック材料を用いることが望ましい。

次に、第３の構造例に係る共振器３２について図７及び図８を参照して説明する。第３の構造例に関し、図７は共振器３２の断面構造図を示し、図８は共振器３２の上面図を示している。図７及び図８は、第１の構造例の図３及び図４（第２の構造例の図５及び図６）にそれぞれ対応する。ここで、図７は、図８のＡ−Ａ断面における断面構造図であるとする。第３の構造例の共振器３２のうち、支持部材４０と、巻線コイル４１と、電界抑制部４２とについては、第１及び第２の構造例の共振器３０、３１と共通であるので、それらの説明は省略する。一方、第３の構造例の共振器３２のうち、巻線コイル４１の両面に配置された誘電体セラミック材料からなる電界集中部４３を備える点は第２の構造例と同様であるが、電界集中部４３の平面視の構造が第２の構造例とは異なっている。

具体的には、図８に示す電界集中部４３は、巻線コイル４１の表面近傍領域の全部ではなく、一部に配置されている。図８の例では、巻線コイル４１の周方向の所定位置に配置された３個の板状部材からなる電界集中部４３が示されている。この場合、図７に示すように、巻線コイル４１の両側の表面を挟んで、６個の板状部材からなる電界集中部４３が配置されることになる。なお、図７は、図８のＡ−Ａ断面で見た断面構造であるため、左側にのみ電界集中部４３が配置された状態が示される。なお、電界集中部４３を構成する板状部材の個数や配置は制約されず、１個の板状部材のみで構成してもよい。

以上のように、第３の構造例を採用することにより、第２の構造例と同様、電界集中部４３による電界の集中に基づき巻線コイル４１のＱ値を高める効果と、電界抑制部４２による外部への電界漏洩の抑制効果の両方を得ることができる。また、第３の構造例の共振器３２は、巻線コイル４１の表面近傍領域の一部にのみ電界集中部４３を配置したので、第２の構造例に比べて誘電体セラミック材料による重量増加を抑えることができる。ただし、巻線コイル４１の十分なＱ値を確保するためには、巻線コイル４１の表面に対する電界集中部４３が占める面積比を概ね１０％以上に設定することが望ましい。

本実施形態では、第１〜第３の構造例の共振器３０〜３２を例にとって説明したが、それぞれの共振器３０〜３２に関しては、第１〜第３の構造例に限定されることなく多様な構造を採用することができる。例えば、本実施形態の電界抑制部４２は、上部４２ａ、底部４２ｂ、側部４２ｃが支持部材４０の上面部４０ａ、底面部４０ｂ、側面部４０ｃの全面を覆うように配置されているが、電界漏洩の所望の抑制効果が得られる限り、電界抑制部４２が支持部材４０の上面部４０ａ、底面部４０ｂ、側面部４０ｃを部分的に覆う配置であってもよい。

また、本実施形態の電界抑制部４２は、送電側共振器１３と受電側共振器２０とが磁界に加え電界でも結合している場合は、伝送方向Ｒに面する電界抑制部４２を配置しない形態としてもよい。つまり、電界抑制部４２に上部４２ａを設けずに、底部４２ｂ及び側部４２ｃが支持部材４０の底面部４０ｂ及び側面部４０ｃの全面を覆うように配置する形態としてもよい。この場合も、電界漏洩の所望の抑制効果が得られる限り、電界抑制部４２が、支持部材４０の底面部４０ｂ及び側面部４０ｃを部分的に覆う配置であってもよい。

また、本実施形態の電界抑制部４２を構成するセラミック材料の形成方法は制約されず、機械的強度を高める目的で、ゴム等の材料にセラミック粉末を装荷した混合材料を用いることができる。また、本実施形態の共振器３０〜３２として、スパイラル型の巻線コイル４１を用いる構造例を説明したが、ヘリカル型の巻線コイルを用いてもよい。さらに、本実施形態の電界抑制部４２は、支持部材４０の内部に配置されているが、電界漏洩の所望の抑制効果が得られる限り、支持部材４０の外周に配置する形態を採用してもよい。例えば、図３の支持部材４０のうち充填部４０ｄのみを設け、外側に電界抑制部４２が露出する形態である。

以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。例えば、本実施形態の無線給電システムとして、図１の構成例を示したが、これに限られることなく、本発明の構造上の特徴を具備する共振器を用いる限り、多様な構成の無線給電システムに対して本発明を適用することができる。また、本発明を適用可能な無線給電システムの用途として、車両への電源供給に言及したが、例えば、携帯電話やノートＰＣなどの情報端末、ＴＶ、家電機器、照明機器、ゲーム機器、医療機器、産業機器など多様な用途の無線給電システムに対して本発明の適用が可能である。さらに、その他の点についても上記実施形態により本発明の内容が限定されるものではなく、本発明の作用効果を得られる限り、上記実施形態に開示した内容には限定されることなく適宜に変更可能である。

１…送電装置
２…受電装置
１０…ＡＣ／ＤＣコンバータ
１１…高周波電源
１２…整合回路
１３…送電側共振器
１４…無線通信部
１５…制御部
２０…受電側共振器
２１…整合回路
２２…整流器
２３…バッテリ
２４…負荷回路
２５…無線通信部
２６…制御部
３０、３１、３２…共振器
４０…支持部材
４１…巻線コイル
４２…電界抑制部
４３…電界集中部

Claims (9)

1. 主に磁場の共鳴を利用して送電側共振器から受電側共振器に電力を伝送する無線給電システムにおける共振器であって、
   所定の共振周波数の交流電力と電磁界エネルギーとを相互に変換する共振コイルと、
   前記共振コイルを支持する支持部材と、
   前記支持部材の内部又は外周のうち、前記共振コイルの表面近傍領域とは異なる位置に配置され、前記支持部材の材料の誘電率よりも高い第１の誘電率を有する誘電体材料からなる電界抑制部と、
   を備えることを特徴とする共振器。
2. 前記共振コイルの表面近傍領域に配置され、前記支持部材の材料の誘電率よりも高く前記第１の誘電率よりも低い第２の誘電率を有する誘電体セラミック材料からなる電界集中部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
3. 前記電界集中部は、前記共振コイルの表面近傍領域の全部に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の共振器。
4. 前記電界集中部は、前記共振コイルの表面近傍領域の一部に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の共振器。
5. 前記電界抑制部の前記誘電体材料は、誘電正接ｔａｎδが１０^−２以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の共振器。
6. 前記電界集中部の前記誘電体セラミック材料は、比誘電率εｒが８以上であり、誘電正接ｔａｎδが１０^−２以下であることを特徴とする請求項５に記載の共振器。
7. 前記共振コイルは、スパイラル型の巻線コイルにより構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の共振器
8. 主に磁場の共鳴を利用して送電装置から受電装置に電力を伝送する無線給電システムであって、
   前記送電装置は、
   所定の周波数の交流電力を供給する電源と、
   前記電源から供給された前記交流電力に共振し、前記交流電力を電磁界エネルギーとして送電する送電側共振器と、
   を備え、
   前記受電装置は、
   前記送電側共振コイルと前記磁場の共鳴により結合し、前記電磁界エネルギーを交流電力として受電する受電側共振器と、
   前記受電側共振器により受電された前記交流電力により動作する回路部と、
   を備え、
   前記送電側共振器及び前記受電側共振器の各々は、
   所定の共振周波数の交流電力と電磁界エネルギーとを相互に変換する共振コイルと、
   前記共振コイルを支持する支持部材と、
   前記支持部材の内部又は外周のうち、前記共振コイルの表面近傍領域とは異なる位置に配置され、前記支持部材の材料の誘電率よりも高い第１の誘電率を有する誘電体材料からなる電界抑制部と、
   を備えることを特徴とする無線給電システム。
9. 前記送電側共振器及び前記受電側共振器の各々は、前記共振コイルの表面近傍領域に配置され、前記支持部材の材料の誘電率よりも高く前記第１の誘電率よりも低い第２の誘電率を有する誘電体セラミック材料からなる電界集中部を更に備えることを特徴とする請求項８に記載の無線給電システム。

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